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简介

  纽约约克镇IBM研究中心的JohnCocke证明,计算机中约20%的指令承担了80%的工作,他于1974年提出了RISC的概念。第一台得益于这个发现的电脑是1980年IBM的PC/XT。再后来,I
RISC
BM的RISC System/6000也使用了这个思想。RISC这个词本身属于伯克利加利福尼亚大学的一个教师DavidPatterson。RISC这个概念还被用在Sun公司的SPARC微处理器中,并促成了现在所谓的MIPS技术的建立,它是SiliconGraphics的一部分。许多当前的微芯片现在都使用RISC概念。

  RISC概念已经引领了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考虑到:指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上(理想情况下,一条指令应在一个时钟周期内执行完);体系结构需要多“简单”;以及在不诉诸于软件的帮助下,微芯片本身能做多少工作等等。

概念分析 

  RISC概念已经引领了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考虑到:指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上(理想情况下,一条指令应在一个时钟周期内执行完);体系结构需要多“简单”;以及在不诉诸于软件的帮助下,微芯片本身能做多少工作等等。

  
RISC
除了性能的改进,RISC的一些优点以及相关的设计改进还有:

  @如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂,那么其开发与测试将会更快。

  @使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现,使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。

  @RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。

  比起从前,高级语言编译器能产生更有效的代码,因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。

  除了RISC,任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算(CISC)。

  RISC典型范例如:MIPS R3000、HP—PA8000系列,Motorola M88000等均属于RISC微处理器。

特点

改进特点

  和CISC比 除了性能的改进,RISC的一些优点以及相关的设计改进还有:

  @如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂,那么其开发与测试将会更快。

  @使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现,使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。

  @RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。

  @比起从前,高级语言编译器能产生更有效的代码,因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。

  除了RISC,任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算(CISC)。

  RISC典型范例如:MIPS R3000、HP—PA8000系列,Motorola M88000等均属于RISC微处理器。

主要特点

  RISC微处理器不仅精简了指令系统,采用超标量和超流水线结构;它们的指令数目只有几十条,却大大增强了并行处理能力。如:1987年SunMicrosystem公司推出的SPARC芯片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构,这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。

  RISC处理器是当今UNIX领域64位多处理机的主流芯片

性能特点

  性能特点一:由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行;

  性能特点二:采用大量的寄存器,使大部分指令操作都在寄存器之间进行,提高了处理速度;

  性能特点三:采用缓存—主机—外存三级存储结构,使取数与存数指令分开执行,使处理器可以完成尽可能多的工作,且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。

  应用特点;由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快,世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的PowerPC G4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUN Microsystem公司的Ultra SPARC ║。

运行特点

  RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低,功率消耗少,温升也少,机器不易发生故障和老化,提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳多部并行操作。在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字(VLIW)微处理器,它使用非常长的指令组合,把许多条指令连在一起,以能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行模型,使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处理速度。Pentium4微处理器体系结构完全采用RISC体系结构。

区别

  RISC 和CISC是目前设计制造微处理器的两种典型技术,虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡,以求达到高效的目的,但采用的方法不同,因此,在很多方面差异很大,它们主要有:

  (1) 指令系统:RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上,尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能,常通过组合指令来完成。因此,在RISC机器上实现特殊功能时,效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC计算机的指令系统比较丰富,有专用指令来完成特定的功能。因此,处理特殊任务效率较高。

  (2) 存储器操作:RISC 对存储器操作有限制,使控制简单化;而CISC 机器的存储器操作指令多,操作直接。

  (3) 程序:RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间,实现特殊功能时程序复杂,不易设计;而CISC汇编语言程序编程相对简单,科学计算及复杂操作的程序设计相对容易,效率较高。

  (4) 中断:RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断;而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。

  (5) CPU:RISC CPU 包含有较少的单元电路,因而面积小、功耗低;而CISC CPU包含有丰富的电路单元,因而功能强、面积大、功耗大。

  (6) 设计周期:RISC 微处理器结构简单,布局紧凑,设计周期短,且易于采用最新技术;CISC 微处理器结构复杂,设计周期长。

  (7) 用户使用:RISC微处理器结构简单,指令规整,性能容易把握,易学易用;CISC微处理器结构复杂,功能强大,实现特殊功能容易。

  (8) 应用范围:由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关,故RISC 机器更适合于专用机;而CISC机器则更适合于通用机。

种类

  目前常见使用RISC的处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH等。

cpu发展初始

  微处理器发展的第一阶段

  CPU是怎样从无到有,并且一步步发展起来的。 根据大家的记忆,笔者把它分为了几个发展阶段。注意,这并非按

  
RISC
照教科书去分,而是我们的记忆。   Intel公司成立于1968年,格鲁夫(左)、诺依斯(中)和摩尔(右)是微电子业界
格鲁夫(左)、诺依斯(中)和摩尔(右)
的梦幻组合Intel 4004

  1971年1月,Intel公司的霍夫(Marcian E.Hoff)研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器,霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。

  4004当时只有2300个晶体管,是个四位系统,时钟频率在108KHz,每秒执行6万条指令(0.06MIPs)。功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicom计算器上。

  格鲁夫 “只有偏执狂才能生存”

  1971年11月,Intel推出MCS-4微型计算机系统(包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器),其中4004(上图)包含2300个晶体管,尺寸规格为3mm×4mm,计算性能远远超过当年的ENIAC,最初售价为200美元。

  Intel 8008

  1972年4月,霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器,因此仍属第一代微处

  
RISC
理器。

  Intel 8080 ,第二代微处理器

  1973年8月,霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍,可存取64KB存储器,使用了
RISC
基于6微米技术的6000个晶体管,处理速度为0.64MIPS。

  摩尔定律

  摩尔预言,晶体管的密度每过18个月就会翻一番,这就是著名的摩尔定律。

  第一台微型计算机:Altair 8800 1975年4月,MITS发布第一个通用型Altair8800,售价375美元,带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。

  1976年,Intel 发布8085处理器 当时,Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。Zilog公司于1976年对8080进行扩展,开发出Z80微处理器,广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。直到今天,Z80仍然是8位处理器

  
8085
的巅峰之作,还在各种场合大卖特卖。CP/M就是面向其开发的操作系统。
第一台微型机器
许多著名的软件如:WORDSTAR 和DBASE II都基于此款处理器。

  WordStar 处理程序WordStar是当时很受欢迎的应用软件,后来也广泛用于DOS平台。

CPU的制造过程

  1.切割晶圆

  所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的晶片,并将其划分成多个细小的区域,每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。

  2.影印(Photolithography)

  
RISC
在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质,紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片,被紫外线照射的地方光阻物质溶解。

  3.蚀刻(Etching)

  用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除,然后再采用化学处理方式,把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除,就得到了有沟槽的硅基片。

  4.分层

  为加工新的一层电路,再次生长硅氧化物,然后沉积一层多晶硅,涂敷光阻物质,重复影印、 蚀刻过程,得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。

  5.离子注入(Ion

  
揭了盖可以看到核心的处理器
Implantation)   通过离子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。
处理器芯片
一个完整的CPU内核包含大约20层,层间留出窗口,填充金属以保持各层间电路的连接。完成最后的测试工作后,切割硅片成单个CPU核心并进行封装,一个CPU便制造出来了。

医学中的含义

  RNA-induced silencing complex (RISC):一种RNA-蛋白质复合物,通过与目标mRNA完全或者部分的互补配对来实施切割或者翻译抑制功能。SiRNA组装siRISC,miRNA组装miRISC。RISCs(无论siRISC还是miRISC)包括两种类型:切割型和不切割型。现在的研究表明,RISC当中的AGO蛋白质决定了RISC是切割型的还是不切割型的。

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